JWST조차도 이 행성의 거대한 안개를 꿰뚫어 볼 수는 없습니다.

이번 연구결과는 3월 16일자 학술지에 게재됐다. 천문일지.

솜사탕과 같은 행성계

케플러-51(Kepler-51)은 백조자리 방향으로 약 2,615광년 떨어진 곳에 위치한 별이다. 여기에는 4개의 알려진 행성이 있으며, 그 중 최소 3개는 슈퍼퍼프라고 알려진 희귀한 초저밀도 세계에 속합니다. 이 행성들은 크기는 토성과 비슷하지만 질량은 지구보다 몇 배에 불과합니다. 그 중에서 Kepler-51d는 가장 차갑고 밀도가 가장 낮은 것으로 눈에 띕니다.

“우리는 케플러-51을 공전하는 3개의 내부 행성이 솜사탕과 유사한 밀도를 제공하는 작은 핵과 거대한 대기를 가지고 있다고 생각합니다”라고 연구 당시 펜실베이니아 주립대학교 외계 행성 및 거주 가능 세계 센터 박사후 연구원이자 논문의 제1저자인 제시카 리비-로버츠(Jessical Libby-Roberts)는 말했습니다. “이 초저밀도 슈퍼 퍼프 행성은 드물고 가스 거인이 어떻게 형성되는지에 대한 기존의 이해를 거부합니다. 그리고 하나가 어떻게 형성되었는지 설명하는 것이 충분히 어렵지 않았다면 이 시스템에는 세 개가 있습니다!”

Kepler-51d가 행성 형성 모델을 무시하는 이유

일반적으로 가스 거인은 강한 중력을 생성하는 밀도가 높은 코어로 형성되어 두꺼운 가스 대기를 끌어당겨 붙잡을 수 있습니다. 이 행성들은 일반적으로 우리 태양계의 목성과 토성과 같이 가스 축적을 선호하는 조건이 있는 별에서 멀리 떨어진 곳에서 발달합니다.

Kepler-51d는 이 패턴을 따르지 않습니다. 이 별은 밀도가 높은 핵이 부족한 것으로 보이며 태양을 기준으로 한 금성의 위치와 비슷할 만큼 별에서 멀리 떨어진 곳에서 공전합니다.

현재 탬파대학교 물리학 및 천문학 조교수인 리비-로버츠(Libby-Roberts)는 “케플러-51은 상대적으로 활동적인 별이며, 그 항성풍은 이 행성의 가스를 쉽게 날려버릴 것입니다. 하지만 케플러-51d의 일생 동안 이러한 질량 손실의 정도는 아직 알려지지 않았습니다.”라고 말했습니다. “행성이 더 멀리 형성되어 안쪽으로 이동했을 가능성이 있지만, 이 행성과 이 시스템의 다른 행성들이 어떻게 형성되었는지에 대해 우리에게는 여전히 많은 질문이 남아 있습니다. 다른 곳에서는 본 적이 없는 극단의 조합인 이 세 개의 정말 이상한 행성을 만든 이 시스템은 무엇입니까?”

두꺼운 안개가 숨기고 있는 것

이 행성들은 밀도가 너무 낮기 때문에 과학자들은 이 행성들이 추가 원소와 함께 수소, 헬륨과 같은 경량 가스로 주로 구성되어 있다고 의심합니다. 이러한 요소를 식별하면 행성이 어디서 어떻게 형성되었는지 밝힐 수 있습니다.

Kepler-51d는 직접 이미지화하기에는 너무 멀기 때문에 연구자들은 통과 관찰이라는 방법에 의존합니다. 행성이 별 앞을 지나갈 때, 별빛의 일부가 행성의 대기를 통과하여 구성에 대한 정보를 전달합니다.

“별의 빛은 망원경에 도달하기 전에 행성의 대기를 통해 필터링됩니다.”라고 Libby-Roberts는 말했습니다. “지구의 다양한 색상의 물체가 다양한 파장의 빛을 흡수하는 것처럼 특정 분자가 특정 파장의 빛을 흡수하는 대기에 존재하면 해당 파장의 빛을 차단할 수 있습니다. 다양한 파장, 스펙트럼을 통해 보면 그 구성을 나타내는 일종의 행성 대기 지문을 얻을 수 있습니다.”

극심한 안개로 인해 JWST 관측이 차단됨

NASA의 허블 우주 망원경을 사용한 이전 관측에서는 약 1.1~1.7 마이크론 사이의 근적외선을 포착했습니다. JWST의 더욱 발전된 근적외선 분광기는 그 범위를 5미크론으로 확장했는데, 이는 더 선명한 대기 특성을 제공했어야 했습니다. 대신 연구자들은 뚜렷한 신호를 발견하지 못했습니다.

논문의 저자이자 Penn State Eberly College of Science의 Verne M. Willaman 천문학 및 천체물리학 교수인 Suvrath Mahadevan은 “우리는 행성이 우리가 본 빛의 파장을 흡수하는 두꺼운 안개 층을 가지고 있다고 생각합니다. 그래서 우리는 실제로 그 아래의 특징을 볼 수 없습니다.”라고 말했습니다. “이것은 메탄과 같은 탄화수소를 함유한 토성의 가장 큰 달인 타이탄에서 볼 수 있는 안개와 매우 유사해 보이지만 그 규모는 훨씬 더 큽니다. 케플러 51d는 지구의 반경에 거의 가까운 엄청난 양의 안개를 가지고 있는 것으로 보이며, 이는 우리가 지금까지 행성에서 본 것 중 가장 큰 것 중 하나입니다.”

반지가 관찰을 설명할 수 있을까?

연구팀은 또한 행성에 고리가 있을 가능성을 포함한 다른 설명도 조사했습니다. 특정 각도로 기울어지면 고리가 별빛을 차단하여 행성이 실제보다 더 크고 밀도가 낮아 보일 수 있습니다. 그러나 이 시나리오는 관찰된 데이터와 완전히 일치하지 않습니다.

“대신에 우리는 더 긴 파장에서 더 많은 빛이 차단되는 선형 추세를 봅니다”라고 Libby-Roberts는 말했습니다. “이것은 특이한 현상이며 가장 간단한 설명은 두꺼운 안개입니다. 고리는 수명이 짧고 매우 특별한 물질로 구성되어 있으며 직각으로 위치해야 합니다. 그럴 것 같지는 않지만 완전히 배제할 수는 없습니다. JWST의 중적외선 기기와 같이 훨씬 더 긴 파장에서 행성을 관찰할 수 있다면 고리에 있는 물질을 감지하거나 안개 층의 전체 범위를 볼 수 있을 것입니다.”

다른 슈퍼 퍼프 행성을 미리 살펴보기

추가 관찰을 통해 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 과학자들은 이제 동일한 시스템에 있는 다른 행성인 Kepler-51b의 JWST 데이터를 분석하여 모든 슈퍼 퍼프 행성이 비슷한 흐릿한 대기를 공유하는지 또는 Kepler-51d가 특이점인지 확인하고 있습니다.

Libby-Roberts는 “천문학자들이 태양계 밖의 행성을 발견하기 전에는 행성이 어떻게 형성되는지 꽤 잘 알고 있다고 생각했습니다.”라고 말했습니다. “그러나 우리는 우리 태양계와 전혀 일치하지 않는 외계 행성을 찾기 시작했고, 행성 형성에 대한 우리의 이해에 큰 도전이 되는 외계 행성을 발견했습니다. 우리는 아직 우리와 같은 태양계를 찾지 못했고, 이 모든 다른 행성들이 어떻게 형성되었는지 설명할 수 있다는 것은 우리가 우주에서 우리의 위치와 큰 그림에 어떻게 적응하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.”

연구팀 및 지원

연구팀에는 Libby-Roberts와 Mahadevan 외에도 Penn State의 천문학 및 천체 물리학 부교수 Renyu Hu와 Penn State에서 천문학 및 천체 물리학 박사 학위를 취득한 NASA Goddard 우주 비행 센터의 Caleb Cañas가 포함되어 있습니다. 이 팀에는 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 Aaron Bello-Arufe, Kazumasa Ohno 및 Armen Tokadjian도 포함되어 있습니다. 콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 Zachory K. Berta-Thompson 및 Catriona Murray; 캘리포니아대학교 산타크루즈 캠퍼스의 Yayaati Chachan; 교토 대학의 Yui Kawashima; 오사카 대학의 Kento Masuda; Hobart 및 William Smith 대학의 Leslie Hebb; 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 Caroline Morley; Johns Hopkins University의 Guangwei Fu와 Kevin B. Stevenson; 카네기 과학 연구소의 Peter Gao.

NASA는 Penn State Center for Exoplanets and Habitable Worlds의 추가 지원과 함께 JWST 보조금을 통해 이 연구를 지원했습니다. 컴퓨팅 작업은 Penn State Institute for Computational and Data Sciences Advanced CyberInfrastructure를 사용하여 수행되었습니다.